深入理解TCP协议及其源代码

1.TCP协议

TCP 用于应用程序之间的通信。当应用程序希望通过 TCP 与另一个应用程序通信时，它会发送一个通信请求。这个请求必须被送到一个确切的地址。在双方“握手”之后，TCP 将在两个应用程序之间建立一个全双工 (full-duplex) 的通信。

这个全双工的通信将占用两个计算机之间的通信线路，直到它被一方或双方关闭为止。

三次握手

Ⅰ.第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN位置为1，Sequence Number为x；然后，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认；　　　　

Ⅱ.第二次握手：服务器收到SYN报文段。服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置Acknowledgment Number为 x + 1(Sequence Number + 1)；同时，自己自己还要发送SYN请求信息，将SYN位置为1，Sequence Number为y;服务器端将上述所有信息放到一个报文段（即SYN + ACK报文段）中，一并发送给客户端，此时服务器进入SYN_RECV状态；　　　　

Ⅲ.第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文段。然后将Acknowledgment Number设置为y+1，向服务器发送ACK报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。 

完成了三次握手，客户端和服务器端就可以开始传送数据。

 

四次挥手

当客户端和服务器通过三次握手建立了TCP连接以后，当数据传送完毕，肯定是要断开TCP连接的啊。那对于TCP的断开连接，这里就有了神秘的“四次分手”。

Ⅰ.第一次分手：主机1(可以使客户端，也可以是服务器端)，设置Sequence Number和Acknowledgment Number，向主机2发送一个FIN报文段;此时，主机1进入FIN_WAIT_1状态;这表示主机1没有数据要发送给主机2了;

Ⅱ.第二次分手：主机2收到了主机1发送的FIN报文段，向主机1回一个ACK报文段，Acknowledgment Number为Sequence Number加1;主机1进入FIN_WAIT_2状态;主机2告诉主机1，我也没有数据要发送了，可以进行关闭连接了;

Ⅲ.第三次分手：主机2向主机1发送FIN报文段，请求关闭连接，同时主机2进入CLOSE_WAIT状态;

Ⅳ. 第四次分手：主机1收到主机2发送的FIN报文段，向主机2发送ACK报文段，然后主机1进入TIME_WAIT状态;主机2收到主机1的ACK报文段以后，就关闭连接;此时，主机1等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，主机1也可以关闭连接了。

状态转换图

 2.源码分析

进入menu目录，输入make rootfs命令打开MenuOS，并另开一个终端用gdb设置断点追踪系统调用。

##memu目录下
make rootfs
#linux-5.0.1目录下
gdb 
file vmlinux
target remote:1234
b __sys_socket
b __sys_connect
b __sys_bind
b __sys_listen
b __sys_accept4
c
list

根据断点提示找到调用的函数所在位置。 

__sys_socket函数

int __sys_socket(int family, int type, int protocol)
{
	int retval;
	struct socket *sock;
	int flags;

	/* Check the SOCK_* constants for consistency.  */
	BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC != O_CLOEXEC);
	BUILD_BUG_ON((SOCK_MAX | SOCK_TYPE_MASK) != SOCK_TYPE_MASK);
	BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC & SOCK_TYPE_MASK);
	BUILD_BUG_ON(SOCK_NONBLOCK & SOCK_TYPE_MASK);

	flags = type & ~SOCK_TYPE_MASK;
	if (flags & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK))
		return -EINVAL;
	type &= SOCK_TYPE_MASK;

	if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
		flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;

	retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
	if (retval < 0)
		return retval;

	return sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));
}

family指明所使用的协议族，通常为PF_INET，表示互联网协议族（TCP/IP协议族）。type指定socket的类型，常用的有SOCK_STREAM （流服务，TCP协议），SOCK_DGRAM（数据报服务，UDP协议）。protocol：通常取0。

socket()调用返回一个整型socket描述符。Socket描述符是一个指向内部数据结构的指针，它指向描述符表入口。调用Socket函数时，socket执行体将建立一个Socket，实际上"建立一个Socket"意味着为一个Socket数据结构分配存储空间。Socket执行体为你管理描述符表。

int __sys_bind(int fd, struct sockaddr __user *umyaddr, int addrlen)
{
    struct socket *sock;
    struct sockaddr_storage address;
    int err, fput_needed;

    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (sock) {
        err = move_addr_to_kernel(umyaddr, addrlen, &address);
        if (!err) {
            err = security_socket_bind(sock,
                           (struct sockaddr *)&address,
                           addrlen);
            if (!err)
                err = sock->ops->bind(sock,
                              (struct sockaddr *)
                              &address, addrlen);
        }
        fput_light(sock->file, fput_needed);
    }
    return err;
}

通过socket调用返回一个socket描述符后，在使用socket进行网络传输以前，必须配置该socket。面向连接的socket客户端通过调用connect函数配置本地信息无，而无连接socket的客户端和服务端以及面向连接socket的服务端通过调用 bind函数来配置本地信息。

 fd表示调用socket函数返回的socket描述符。umyaddr表示一个指向包含有本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的指针。addrlen为地址长度，常被设置为sizeof(struct sockaddr)。

int __sys_listen(int fd, int backlog)
{
    struct socket *sock;
    int err, fput_needed;
    int somaxconn;

    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (sock) {
        somaxconn = sock_net(sock->sk)->core.sysctl_somaxconn;
        if ((unsigned int)backlog > somaxconn)
            backlog = somaxconn;

        err = security_socket_listen(sock, backlog);
        if (!err)
            err = sock->ops->listen(sock, backlog);

        fput_light(sock->file, fput_needed);
    }
    return err;
}

fd 表示socket系统调用返回的socket 描述符。backlog指定在请求队列中允许的最大请求数。

__sys_listen函数使socket处于被动的监听模式，并为该socket建立一个输入数据队列，将到达的服务请求保存在此队列中，直到程序处理它们

int __sys_connect(int fd, struct sockaddr __user *uservaddr, int addrlen)
{
    struct socket *sock;
    struct sockaddr_storage address;
    int err, fput_needed;

    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (!sock)
        goto out;
    err = move_addr_to_kernel(uservaddr, addrlen, &address);
    if (err < 0)
        goto out_put;

    err =
        security_socket_connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen);
    if (err)
        goto out_put;

    err = sock->ops->connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen,
                 sock->file->f_flags);
out_put:
    fput_light(sock->file, fput_needed);
out:
    return err;
}

fd表示socket函数返回的socket描述符。uservaddr：表示包含远端主机IP地址和端口号的指针。addrlen表示远端地址的长度。

int __sys_accept4(int fd, struct sockaddr __user *upeer_sockaddr,
          int __user *upeer_addrlen, int flags)
{
    struct socket *sock, *newsock;
    struct file *newfile;
    int err, len, newfd, fput_needed;
    struct sockaddr_storage address;

    if (flags & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK))
        return -EINVAL;

    if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
        flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;

    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (!sock)
        goto out;

    err = -ENFILE;
    newsock = sock_alloc();
    if (!newsock)
        goto out_put;

    newsock->type = sock->type;
    newsock->ops = sock->ops;

    /*
     * We don't need try_module_get here, as the listening socket (sock)
     * has the protocol module (sock->ops->owner) held.
     */
    __module_get(newsock->ops->owner);

    newfd = get_unused_fd_flags(flags);
    if (unlikely(newfd < 0)) {
        err = newfd;
        sock_release(newsock);
        goto out_put;
    }
    newfile = sock_alloc_file(newsock, flags, sock->sk->sk_prot_creator->name);
    if (IS_ERR(newfile)) {
        err = PTR_ERR(newfile);
        put_unused_fd(newfd);
        goto out_put;
    }

    err = security_socket_accept(sock, newsock);
    if (err)
        goto out_fd;

    err = sock->ops->accept(sock, newsock, sock->file->f_flags, false);
    if (err < 0)
        goto out_fd;

    if (upeer_sockaddr) {
        len = newsock->ops->getname(newsock,
                    (struct sockaddr *)&address, 2);
        if (len < 0) {
            err = -ECONNABORTED;
            goto out_fd;
        }
        err = move_addr_to_user(&address,
                    len, upeer_sockaddr, upeer_addrlen);
        if (err < 0)
            goto out_fd;
    }

    /* File flags are not inherited via accept() unlike another OSes. */

    fd_install(newfd, newfile);
    err = newfd;

out_put:
    fput_light(sock->file, fput_needed);
out:
    return err;
out_fd:
    fput(newfile);
    put_unused_fd(newfd);
    goto out_put;
}

当accept函数监视的 socket收到连接请求时，socket执行体将建立一个新的socket，执行体将这个新socket和请求连接进程的地址联系起来，收到服务请求的初始socket仍可以继续在以前的 socket上监听，同时可以在新的socket描述符上进行数据传输操作。